超高压水切割是近 20 年在国内外得以开发、完善、成熟应用的先进工艺［1］，其技术优势在于:冷态加工，不改变被切割材料组织，避免其加工热变形; 在加工过程中不改变材料的力学、物理和化学性能; 对被加工材料无任何选择性，这一特点使其应用广泛; 切缝质量好、切割速度快，非常适应以碳纤维为主的复合材料板材加工; 它是非接触式工艺，对材料不会造成应力破坏，不会产生粉尘，而且能够像刀具一样安装在五轴联动主轴上进行三维立体加工，具有切割、钻铣、抛光等功能。应对特种材料加工是高端水切割的工程依托，复合材料是由 2 种或 2 种以上不同性质的材料，通过复合工艺方法组成具有新性能的材料。由于各种材料在性能上互取，使复合材料形成强度高、重量轻、耐磨耐热性好、抗疲劳性能强，减振性能好等诸多优点，成为航空航天工程的主要材料，广泛应用于机翼、机身等大尺度曲面结构件、运载火箭壳体等［2］。复合材料不同于大多数金属，它不是各向同性而是各向异性。其加工一直是个工程难题，对于碳纤维复合材料，传统机械加工方式会产生分层、变形、劈裂等问题，且切口光洁度差，只能进行初加工，且产生的超细粉尘严重危害健康。航空飞行器大型构件的特点是大尺度曲面复合材料零接缝切割对接，采用超高压水切割五轴联动平台作业也是美国波音飞机制造公司的标准工艺。对于小至几米大至十余米的成型曲面机翼、尾翼或机身蒙皮等构件，要实现平稳定位、刀头随曲面保持法向横移、射流以点线切入、高速高精度变化相对位置，而且实现随机跟踪监测、调节、补偿一体化，确保大尺度曲面的整体加工精度。而这一切超高要求，最重要的基础设备就是高端超高压水射流发生系统与执行机构。

2 基于效率的工况变化方向

水射流作业，压力是实现功能的参数，流量是实现效率的参数［3］。即当实现一种作业功能的门限压力达到以后，就该以提高流量来实现效率。然而，这一规律对水切割工艺却不尽然。因为水切割工艺的流量增加将会加大喷嘴直径，从而加大射流直径，由此影响切割作业精度。也就是说，高精度、高速度的切割工艺工况变化方向只能转向提高压力参数。基于效率的水切割技术研究也提出了相同的结论［3］。很显然，水切割头混砂管出口处的磨料粒子速度越高，射流动能效率越高

3 水切割工艺的确定与实现

如何将保持流量、提高压力定量化且实现可靠运行，这一直是超高压水切割技术的难题。通常水切割的门限压力并不高，通用作业 300 MPa甚至 250 MPa 也能进行某些材料的切割。然而在较大材料领域的切割，则要提高切割速度和切缝质量甚至切割厚度，我国通用的大路产品的额定压力都定在 420 MPa，与国际产品保持了一致，实际使用的工作压力基本都在 300 ～ 350 MPa，相应的射流流量在 3 L /min 左右。切割以机翼为主的大尺度曲面复合材料，其厚度大多在 3 mm 左右，以通用产品的压力已够用。但对大尺度工作的高精度、高速度作业要求，即作业过程中不允许停顿、更不允许重复，且要求法线切缝，轮廓粗糙度为 ± 0． 762 mm( ± 0． 03 in，美国波音公司要求) 。通过对美国 PAＲ 公司 420 MPa 产品应用( 工作压力 350 MPa) 的长期应用和对相同材料的试验证实，应当将额定压力提高到 500 MPa，工作压力不低于 400 MPa，射流流量仍为 3 L /min。显然，确定了这样一组高端工况参数面临着增压器的升级和整个系统承压后部件与控制部件的可靠运行难题。为了保证 500 MPa 大流量增压器的可靠运行，先期研制了等功率的 600 MPa 超高压系统，得出以下设计经验。( 1) 承压材料的选用。超高压承压零件大多采用 316 L 等高强度不锈钢材料，栓塞为工业陶瓷，进出水阀组多采用 630，蓄能器则为不锈钢与高强钢的组合套筒结构。( 2) 结构参数的适应性。为了适应 500 ～ 600 MPa 超高压单机 3 L /min 大流量的可靠运行，增压器的结构参数优化尤为重要。虽然随着技术的发展，传统设计对柱塞运行的线速度已被突破，但尽可能增大柱塞直径、增加行程，减少往复次数仍是遵循的原则。只有这样，才能提高往复动密封、超高压密封的寿命指标。( 3) 组合密封设计。无论是往复密封还是静密封的设计都一定是不同密封材料与形状呈轴向组合排列的。它们可能顺排、可能间置。但都必须考虑其轴向尺寸尽可能短，以保证柱塞的自由对中性。当然，密封段的润滑与冷却也须重视。( 4) 精细加工、结构紧凑。凡是超高压承压零件和水切割头等都须遵循这一点。如进、出水阀组采用限程平板阀，进水流道和出水流道平行布置于中心线两侧的阀体上。这种设计使得余隙容积基本仅限于柱塞行程空间。( 5) 简单化零件设计。零件设计越简单，超高压工况越安全可靠。因此，承压零件多以直筒状且不采用螺纹连接。尤其是对切割头的专利设计，其特点是水喷嘴、混合腔、混砂管的对中性尤为重要。

4 水射流机构的研究

大尺度曲面复合材料的切割是一个极其复杂的工程问题，水切割机作为成套设备，由超高压增压器、切割平台、切割机构和控制系统构成。图 2 所示为笔者研究的切割机构。其工作原理如下: 将水切割头连接在五轴联动的主立轴端由程控动作，超高压水经硬质钢管至水喷嘴和喷砂管。为了保证即时升压至工作压力，在切割头上位增加一个气动截止阀以控制射流。为了保证射流的突然中断而不回水至砂管，将切割头在混砂区设计成双向管路，一路进砂，一路进气。磨料经砂筒有压供给至门式横梁上的中转砂筒。再由其直接以软管穿过旋转盘向切割头供砂。由于切割目的是大尺度曲面修边，因此，在切割头自带“C”形管专用机构，其一是承接污水砂屑，其二是由横梁上设置的真空泵将其回收至场区外进行砂水分离，确保无污染排放。整个机构在五轴联动主立轴驱动下，“C”形管始终“卡”在工件周边运动，射流始终与被切割曲面保持法向打击。在这一闭环工作系统中，各部件、机构的成套性能设计至关重要，此外，“C”形管起着回收污水中转的作用。“C”形管必须承接强大水射流打击力，因此，其内部充填填充物以接受外力和消声［4］。磨料采用有压气源供砂，真空泵则抽吸全部来自“C”形管的污水。这一切割机构可以换刀同时兼具在曲面工件上打孔的功能。由于“C”形管的设计，切割平台无需预备大尺寸水箱，取而代之的是点阵柔性托架用以定位大尺度工件

5 应用实例

大尺度曲面复合材料水切割的应用实例是对机翼半件修( 裁) 边，该工件长达 11 m，宽约 1 m，基本平面，边缘为曲面。工件与点阵托架必须是相触支撑，真空吸附。既不能强吸变形，又不能保持非接触间隙，“C”形杯“卡”住工件沿曲线保持切割头法向作业并运行，不能与曲面有任何碰触，这就要求五轴联动主立轴严格按操控程序运行; 射流工况压力必须稳定在门限压力以上的较高级别段，一经确认，不得出现超限脉动。而要做到这一点，水喷嘴和磨料喷砂管的完好是必要保证，即射流直线段必须足够和一致; 系统必须保证磨料供应和干燥连续和均匀，这取决于强制供砂、砂阀控制、不回水和程序控制的稳定性。一旦开始，在长约 30 m 的周边作业期间不允许出现任何不稳定工况或停车现象，因此必须在试走刀过程中得以确认。图 3 所示为水射流与工件的相对位置。试验结果与实际应用相吻合。当工作压力处于低限，如 300 MPa，切缝就会不可预见地出现分层现象，即表面有鼓包突出; 切缝还会不规则的出现“凸台”现象，即切缝剖面与曲面呈现可见的非垂直现象; 另外，压力的不稳定也会导致切缝产生毛刺。这些试验经验必须在应用中完全杜绝，因此，新一代的高端水切割机加工中心将工作压力稳定在 400 ～ 500 MPa 是一个实现高精度、高速度的标志。

6 结语

对于大尺度曲面复合材料水切割工程，提高工作压力在 400 MPa 以上、流量为 3 L /min，可以适应高精度、高速度的加工要求。因此，无需增加流量，额定压力为 500 MPa 的水切割加工中心可以满足复合材料工艺。围绕此工艺的试验数据、数学模型、系统机构设计在实际应用中起到了指导性作用。